TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbinen. Sie betrifft
ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
STAND DER TECHNIK
[0002] Bei der Entwicklung einer Turbinenstufe kann es manchmal schwierig sein, die vorausberechnete
Leistung mit den Effektivitätszielen in Übereinstimmung zu bringen. Diese Schwierigkeiten
entstehen während des Giessens und während des Bearbeitungsprozesses der Turbinenschaufeln,
weil sich dort zahlreiche Abweichungen aufsummieren und zu einer gewissen Diskrepanz
führen. Sowohl hinsichtlich der Entwicklung als auch hinsichtlich der Herstellung
ergibt sich bei der fertigen Maschine eine Differenz zwischen den Benchmarkberechnungen
und der Turbine in der Realität. Je nach der Grösse der Differenz können möglicherweise
spätere Korrekturen notwendig werden. Es ist daher wünschenswert, diese Differenz
zu verkleinern, um die vorausberechneten strömungstechnischen Zielwerte der Turbine
auch tatsächlich zu erreichen.
[0003] Ein grundsätzlicher Weg zur Lösung dieses Problems basiert auf der Möglichkeit, den
Strömungsweg der Gase in der Turbinenstufe dadurch einzustellen, dass das Schaufelprofil
der Turbinenschaufel (um die Längsachse) in die gewünschte Position gedreht wird.
[0004] Ein Weg dazu ist der Einsatz einer verstellbaren Giessform. So ist in der EP-A2-1
216 770 sind ein Werkzeug und ein Verfahren zum Giessen eines Formteils aus Wachs
für die Herstellung einer Turbinenschaufel offenbart, bei dem mehrere Werkzeugblöcke
in einer vorgegebenen Weise formschlüssig zusammengesetzt werden und einen Hohlraum
für das zu giessende Formteil bilden. Zumindest einer der Werkzeugblöcke nimmt einen
dreh- oder verschiebbaren Einschub oder Einsatz auf, der mit einer Fläche an den Hohlraum
angrenzt und in unterschiedlichen Positionen oder Orientierungen gegenüber dem Werkzeugblock
fixierbar ist.
[0005] Das bekannte Giesswerkzeug ermöglicht eine nachträgliche Änderung der Geometrie des
Formteils und insbesondere von dessen Anstellwinkel bzw. der Anströmgeometrie, ohne
dafür neue Werkzeugblöcke fertigen zu müssen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass alle
Änderungen beim Guss einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand verursachen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel
zu schaffen, welches die aufgezeigten Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und
auf besonders einfache und schnelle Weise eine Änderung der Anströmgeometrie der Schaufel
zur Optimierung der Turbineneigenschaften ermöglicht.
[0007] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Kern der
Erfindung ist es, einen zur Optimierung der Turbine veränderten Anströmwinkel der
Turbinenschaufel bei gleichbleibender Giessform durch eine geänderte Bearbeitung des
Gussstücks zu erreichen. Diese Lösung trägt der Erkenntnis Rechnung, dass Änderungen
nach abgeschlossener Entwicklung der Schaufel zwar generell entweder ganz vermieden
oder so früh wie möglich durchgeführt werden sollten, dass es aber gleichwohl umso
besser ist, je später in der Herstellungskette derartige Änderungen stattfinden. Irgendwelche
Änderungen bei der maschinellen Bearbeitung beeinflussen lediglich die Bearbeitungswerkzeuge.
Dadurch wird die zeitliche Verzögerung im Vergleich zu einer Änderung beim Guss deutlich
reduziert. Eine Änderung des Anströmwinkels der Turbinenschaufel wird dabei dadurch
erreicht, dass das Gussstück zur Bearbeitung um einen Korrekturwinkel um die Schaufellängsachse
gedreht wird.
[0008] Eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Gussstück bei der Bearbeitung in einer Aufnahme gehalten wird, dass das Gussstück
zur geänderten Bearbeitung in der Aufnahme gedreht wird, wobei die für die Bearbeitung
notwendigen Bezugspunkte neu positioniert werden.
[0009] Alternativ dazu ist es möglich, dass das Gussstück zur geänderten Bearbeitung zusammen
mit der Aufnahme gedreht wird, wobei zum Erreichen der gewünschten Position die korrekt
errechneten Abstände verwendet werden.
[0010] Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
dass an dem Gussstück für die materialabhebende Bearbeitung eine zusätzliche Materialstärke
vorgesehen ist, und dass die Dicke der zusätzlichen Materialstärke über einen Minimalwert
hinausgehend so gross gewählt ist, dass aus dem gleichen Gussstück durch die Bearbeitung
eine Turbinenschaufel erzeugt werden kann, welche innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs
einen frei wählbaren Anströmwinkel aufweist.
[0011] Besonders günstig ist es dabei, wenn das Gussstück bzw. die Turbinenschaufel eine
Schaufelplattform und ein Schaufelblatt aufweist, und wenn die über den Minimalwert
hinausgehende zusätzliche Materialstärke an der Schaufelplattform vorgesehen ist.
[0012] Bevorzugt beträgt der Minimalwert der zusätzlichen Materialstärke etwa 2 mm beträgt,
und die über den Minimalwert hinausgehende zusätzliche Materialstärke insgesamt etwa
5 mm.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0013] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- in der Draufsicht von oben ein Gussstück für eine Turbinenschaufel mit einer Schaufelplattform
und einem Schaufelblatt nach dem Stand der Technik, wobei an der Schaufelplattform
eine zusätzliche Materialstärke von 2 mm für die mechanische Bearbeitung vorgesehen
ist;
- Fig. 2
- in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei der das Gussstück an der Schaufelplattform eine über den Minimalwert von 2 mm
hinausgehende zusätzliche Materialstärke aufweist, so dass aus demselben Gussstück
auch eine um 3° im Uhrzeigersinn verdrehte Turbinenschaufel erzeugt werden kann; und
- Fig. 3
- in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei der das Gussstück an der Schaufelplattform eine über den Minimalwert
von 2 mm hinausgehende zusätzliche Materialstärke aufweist, so dass aus demselben
Gussstück auch eine um 3° entgegen dem Uhrzeigersinn verdrehte Turbinenschaufel erzeugt
werden kann.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0014] In Fig. 1 ist in der Draufsicht von oben ein beispielhaftes Gussstück für eine Turbinenschaufel
aus der ersten Stufe mit einer Schaufelplattform und einem Schaufelblatt nach dem
Stand der Technik wiedergegeben. Das Gussstück 10 hat eine rechteckige Schaufelplattform
11 mit (beispielhaften) Aussenabmessungen von 124,6 mm x 133,8 mm. Von der Schaufelplattform
11 nach oben ausgehend erstreckt sich entlang einer Längsachse 13 das eigentliche
Schaufelblatt 12, dessen Lage relativ zur Schaufelplattform 11 den späteren Anströmwinkel
der Turbinenschaufel bestimmt (siehe auch die Fig. 2 der eingangs genannten EP-A2-1
216 770). An den äusseren Rändern der Schaufelplattform 11 ist in an sich bekannter
Weise umlaufend eine zusätzliche Materialstärke ("machining stock") 14 von 2 mm vorgesehen
(Bereich zwischen dem gestrichelt und dem durchgehend eingezeichneten Rechteck in
Fig. 1). Diese zusätzliche Materialstärke 14 stellt Material für die nachfolgende
materialabhebende Bearbeitung des Gussstückes 10 zur Verfügung, bei der die Turbinenschaufel
ihre endgültige Form erhält.
[0015] Die zentrale Idee der Erfindung besteht nun darin, das Gussstück von den äusseren
Abmessungen her so auszulegen, dass bei der nachfolgenden Bearbeitung der Anströmwinkel
in einem gewissen Winkelbereich frei gewählt werden kann, so dass ohne Änderung der
Gussform der Anströmwinkel durch die Bearbeitung an die Gegebenheiten der Turbine
angepasst werden kann. Dazu ist es notwendig, die für die Bearbeitung notwendige zusätzliche
Materialstärke an den entsprechenden Flächen der Schaufel über den Minimalwert (von
z.B. 2 mm) hinaus so weit zu erhöhen, dass eine Bearbeitung bei verdrehter Schaufel
möglich ist. Je grösser dabei der zugängliche Winkelbereich sein soll, um so grösser
muss die Dicke der zusätzlichen Materialstärke gewählt werden. Die erhöhte Dicke der
zusätzlichen Materialstärke muss bei der Wachsform für den Guss berücksichtigt werden
und erhöht geringfügig den Bearbeitungsaufwand.
[0016] In den Fig. 2 und 3 sind zwei Beispiele für eine erhöhte Dicke der zusätzlichen Materialstärke
dargestellt: Das Gussstück 10' der Fig. 2 ist so ausgelegt, dass der Anströmwinkel
der späteren Turbinenschaufel um einen Winkel bis zu 3° im Uhrzeigersinn geändert
werden kann (Drehpfeil in Fig. 2). Das Gussstück 10" der Fig. 3 ist so ausgelegt,
dass der Anströmwinkel der späteren Turbinenschaufel um einen Winkel bis zu 3° entgegen
dem Uhrzeigersinn geändert werden kann (Drehpfeil in Fig. 3).
[0017] Die Ausgangsstellung (ohne zusätzliche Drehung) ist in beiden Figuren 2 und 3 im
Bereich der Schaufelplattform 11 gestrichelt eingezeichnet. Das gestrichelte Rechteck
geht durch die 3°-Drehung in das kleinere der beiden durchgezogen eingezeichneten
Rechtecke über. Das Schaufelblatt 12 dreht sich entsprechend mit. Soll nun das verdrehte
Schaufelblatt 12 auf die unverdrehte (gestrichelte) Schaufelplattform 11 bezogen werden
(dies würde einer Verdrehung des Anströmwinkel entsprechen), müssen die äusseren Grenzen
der Schaufelplattform 11 entsprechend dem äusseren der beiden durchgezogenen Rechtecke
soweit nach aussen verschoben werden, dass zu dem gestrichelt eingezeichneten Rechteck
der nach der Bearbeitung bestehenden Schaufelplattform ein Mindestabstand von 2 mm
als zusätzlicher Materialstärke bleibt. Die Schaufelplattform 11 des Gussstückes 10'
hat dann die Aussenabmessungen von 131,1 mm x 140 mm (zusätzliche Materialstärke 14';
Fig. 2), die Schaufelplattform 11 des Gussstückes 10" hat dann die Aussenabmessungen
131,2 mm x 140 mm (zusätzliche Materialstärke 14"; Fig. 3). Wird von dem grösseren
der beiden durchgehend gezeichneten Rechtecke ausgegangen, kann durch Materialabtrag
an den Gussstücken 10' bzw. 10" bis auf das gestrichelt eingezeichnete Rechteck eine
um -3° bzw. +3° verdrehte Turbinenschaufel herausgearbeitet werden.
[0018] Zur Bearbeitung kann das Gussstück 10' bzw. 10" auf zwei unterschiedliche Weisen
in der Aufnahme der Bearbeitungsmaschine positioniert werden: Im einen Fall wird das
Gussstück in der Aufnahme gedreht, wobei die für die Bearbeitung notwendigen Bezugspunkte
neu positioniert werden. Im anderen Fall wird das Gussstück zusammen mit der Aufnahme
gedreht, wobei zum Erreichen der gewünschten Position die korrekt errechneten Abstände
verwendet werden.
[0019] Die erfindungsgemässe Möglichkeit zur Verdrehung der Turbinenschaufel nach dem Guss
wird vor allem zur Anpassung der Leitbeschaufelung der ersten Stufe eingesetzt, um
die gesetzten Ziele bei der Verbesserung der Turbine zu erreichen.
[0020] Dabei werden die Schaufeln um maximal +/- 2° verdreht. Dazu ist eine zusätzliche
Materialstärke von etwa 5 mm verglichen mit der üblichen Materialstärke von etwa 2
mm notwendig. Dabei wird für die Bearbeitung die Drehung des Gussstückes zusammen
mit der Aufnahme bevorzugt.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0021]
- 10,10',10"
- Gussstück
- 11
- Schaufelplattform
- 12
- Schaufelblatt
- 13
- Längsachse
- 14,14',14"
- zusätzliche Materialstärke ("machining stock")
1. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel, bei welchem Verfahren in einer Giessform
ein die grundsätzliche Form der Turbinenschaufel aufweisendes Gussstück (10, 10',
10") hergestellt und das Gussstück (10, 10', 10") zur Fertigstellung der Turbinenschaufel
anschliessend materialabhebend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Optimierung der Turbine veränderter Anströmwinkel der Turbinenschaufel bei
gleichbleibender Giessform durch eine geänderte Bearbeitung des Gussstücks (10, 10',
10") erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück (10, 10', 10") bei der Bearbeitung in einer Aufnahme gehalten wird,
dass das Gussstück (10, 10', 10") zur geänderten Bearbeitung in der Aufnahme gedreht
wird, wobei die für die Bearbeitung notwendigen Bezugspunkte neu positioniert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück (10, 10', 10") bei der Bearbeitung in einer Aufnahme gehalten wird,
dass das Gussstück (10, 10', 10") zur geänderten Bearbeitung zusammen mit der Aufnahme
gedreht wird, wobei zum Erreichen der gewünschten Position die korrekt errechneten
Abstände verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gussstück (10, 10', 10") für die materialabhebende Bearbeitung eine zusätzliche
Materialstärke (14, 14', 14") vorgesehen ist, und dass die Dicke der zusätzlichen
Materialstärke (14, 14', 14") über einen Minimalwert hinausgehend so gross gewählt
ist, dass aus dem gleichen Gussstück (10, 10', 10") durch die Bearbeitung eine Turbinenschaufel
erzeugt werden kann, welche innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs einen frei
wählbaren Anströmwinkel aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück (10, 10', 10") bzw. die Turbinenschaufel eine Schaufelplattform (11)
und ein Schaufelblatt (12) aufweist, und dass die über den Minimalwert hinausgehende
zusätzliche Materialstärke (14', 14") an der Schaufelplattform (11) vorgesehen ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert der zusätzlichen Materialstärke etwa 2 mm beträgt, und dass die über
den Minimalwert hinausgehende zusätzliche Materialstärke (14', 14") insgesamt etwa
5 mm beträgt.